锅炉过热蒸汽温度

内蒙古科技大学本科生过程控制课程设计说明书题 目：热电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统设计学生姓名： 学 号：专 业：测控技术与仪器班 级： 指导教师： I内蒙古科技大学本科生过程控制课程设计说明书 包钢热电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统设计摘要热电厂锅炉蒸汽温度的控制一直是在一个非常重要的环节，过高或过低的蒸汽温度都会影响到许多设备的正常运行和生产效率，然而，在控制蒸汽温度中过热蒸汽的控制是必不可少的。本文针对热电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的分析。在控制系统分析时分别阐述了单回路分段控制和串级分段控制，经过比较发现系统中采用串级分段控制的效果比较好，可以使系统适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器壁温度不超过允许的工作温度，在文章的最后针对在过热器温度控制过程容易出现的减温器事故做了分析，并提出了一些解决方案。 关键词：锅炉蒸汽；过热蒸汽控制；串级控制系统；减温器 目 录摘要第一章 绪论11.1研究背景11.2锅炉生产工艺介绍11.3控制蒸汽温度的意义21.4锅炉运行中影响蒸汽温度的因素31.5蒸汽温度调节方式3第二章 过热蒸汽温度控制系统设计52.1基本概述52.2控制方案选择52.2.1单回路分段控制62.2.2串级分段控制法7第三章 仪表选型93.1测温元件和温度变送器选型93.2执行器的选择93.3调节器控制规律的选择103.4主、副调节器正、反作用的选择10第四章 减温器安全联锁保护对策124.1减温器事故原因分析124.2采取的措施124.3减温器保护方法总结12第五章 实习总结体会145.1设计总结145.2心得体会14参考文献15III第一章 绪论1.1研究背景随着科学技术的发展，自动控制在现代工业中起着主要的作用，目前已广泛应用于工农业生产及其他建设方面。生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改善劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。可以说，自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其他民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。本次设计的主要是针对单元机组汽温控制系统的设计。锅炉汽温控制系统主要包括过热蒸汽和再热蒸汽温度的调节。过热蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，过热汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过10，长期偏差不超过5。1.2锅炉生产工艺介绍概述：热电厂锅炉利用燃料燃烧释放的热能加热给水，以获得高温、高压的蒸汽。将高温、高压的蒸汽输送到汽轮机中，推动汽轮机转速，并带动发电机转动产生电能。火电发电厂能量转换的过程见图1.1，锅炉是火力发电厂三大主要设备之一。 图1.1 电厂燃料化学能转化成电能的过程锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统： 锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。 锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。 蒸汽温度系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围。 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。1.3控制蒸汽温度的意义蒸汽温度过高的影响：若超过了设备部件(如过热器管、蒸汽管道、阀门，汽轮机的喷嘴、叶片等)的允许工作温度，将使钢材加速蠕变，从而降低设备使用寿命。严重的超温甚至会使管子过热而爆破。过热器、再热器一般出若干级组成。各级管子常使用不同的材料，分别对应一定的最高允许温度。因此为保证金属安全，还应当对各级受热面出口的汽温加以限制。此外，还应考虑平行过热器管的热偏差及汽温两侧偏差，防止局部管子的超温爆漏和汽轮机汽缸两测的受热不均。蒸汽温度过低的影响：将会降低热力设备的经济性。对于超临界机组，过热汽温每降低10，发电煤耗将增加约1.0g标煤(KWh)，再热汽温每降低l0，发电煤耗将增加约0.8g标煤(KWh)。汽温过低，还会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧，严重时将会发生水冲击，威胁汽轮机的安全。因此运行中规定，在汽温低到一定数值时，汽轮机就要减负荷甚至紧急停机。汽温突升或突降会使锅炉备受热面焊门及连接部分产生较大的热应力。还将造成汽轮机的汽缸与转子间的相对位移增加，即胀差增加，严重时甚至可能发生叶轮与隔板的动静摩擦，汽轮机剧烈振动等。1.4锅炉运行中影响蒸汽温度的因素(1)锅炉负荷的影响:锅炉运行中负荷变化,蒸汽温度也会随之而变化,对不同形式的过再热器,其汽温随锅炉负荷变化的特性也不相同。辐射式受热面的汽温是随着锅炉负荷的增加而降低的。对流受热面的蒸汽温度随锅炉负荷的增加而升高。曲靖电厂锅炉采用辐射、半辐射(后屏)和对流过热器组成的联合过热器,当锅炉负荷变化时其蒸汽温度特性从设计上是比较好的,在75%以上负荷能使主蒸汽温度达到额定值,在低负荷时,锅炉的过热量特性仍偏于对流特性,随着负荷的上升而升高,在实际的运行中会有些偏差。(2)炉膛火焰中心的温度的影响:炉膛火焰中心温度升高时,炉膛辐射传热减小,并使炉膛出口烟气温度上升,因而使汽温上升。相反,当火焰中心降低时,将使汽温下降。(3)受热面清洁度的影响:水冷壁结渣,将引起过热蒸汽温度升高,而过热器本身结渣,严重积灰,将使蒸汽温度降低。(4)减温水量的影响:在给水系统压力增高时，虽然减温水调节阀的开度未变,但这时减温水量增加了,汽温因而降低。喷水减温器若发生泄漏,也会在并未操作减温水调节阀的情况下,使减温水量增大,汽温降低。(5)给水温度的影响:提高给水温度,将使过热汽温下降。这是因为产生每公斤蒸汽所需的燃料量减少,流过再热器的烟气量也减少了。在汽机运行中是否投入高压给水加热器会使给水温度相差很大,这对过再热汽温有明显影响。(6)主蒸汽压力变化的影响：主蒸汽压力的变化将直接影响汽包饱和蒸汽温度。从汽包出来的饱和蒸汽总有少量的水分工况下,饱和蒸汽的温度一般变化很小。但当运行工况变动或锅炉负荷突然增大,将会使饱和蒸汽的带水量大大增加。由于增加的水分在过热器中汽化要多吸收热量,在燃烧工况不变的情况下,用于使干饱和蒸汽过热的热量相对减少,因而将使过热蒸汽温度下降。1.5蒸汽温度调节方式（一）过热汽温调节a 面式减温器面式减温器是一种管壳式换热器，有U形管、套管、螺旋管等类型。这类减温器常用于锅炉的给水来冷却蒸汽以调节温度，减温水量占给水总量的30%60%。由于冷却水和蒸汽不直接接触，所以对冷却水品质无其他特殊要求，面式减温器调节惯性大，一般用于中小容量的锅炉，国外有用它来调节再热汽温的报导，我国电站锅炉很少采用。b 喷水减温器喷水减温器又称混合式减温器，其原理是减温水直接喷入过热蒸汽使其物化、吸热蒸发，达到降低温度的目的，现在大型锅炉过热器蒸汽温度的调节都采用喷水减温的方法，对于多级布置的过热器系统，未见烧热偏差，可采用23级喷水减温。(二)再热汽温的调节 与过热蒸汽不同，喷水减温作为基本调温手段不适用于再热蒸汽调温。这是因为把水喷入中等压力的再热器中，就等于在很高参数的蒸汽循环中加进了一部分(等于喷水量)中等参数工质的循环，这将使整个机组的循环热效率降低。对于亚临界单元机组，每喷入1的减温水，发电煤耗约升高0.91.1g标煤(KWh)。因此再热器的调温大都采用烟气侧的调温方式，而只将喷水减温作为事故降温(防止再热器管壁超温)手段或对再热汽温进行微调之用。常用的烟气侧调温方式包括摆动式燃烧器、分隔烟道挡板、烟气再循环等几种。第二章 过热蒸汽温度控制系统设计2.1基本概述原理：蒸汽通过喷水减温器时减温器将洁净的给水直接喷进蒸汽，水吸收蒸汽的汽化潜热，从而改变过热蒸汽温度。减温水来源：喷水减温在热经济上有一定损失，部分给水用去作减温水，使进入省煤器的水量减少，出口水温升高，因而增加了排烟损失。若减温水引自给水泵出口，则当减温水量增大时会使流进高压加热器的给水量减少，排挤部分高压加热器抽汽量，降低回热循环的热效率。但由于设备简单、调节灵敏、易于实现自动化等优点，故得到了广泛应用。减温器的布置：大容量锅炉通常设置二级以上喷水减温器。第一级布置在分隔屏式过热器入口集箱处，由于该级减温器距末级过热器出口尚有较长的距离，且从该级过热器至过热器出口的蒸汽温升幅度相对较大，所以，调温时滞、惯性较大，维持最终汽温在规定的范围内较为困难。因此，这级喷水减温器只作为主蒸汽温度的粗调节，其任务是按一定的规律将分隔屏出口汽温控制在设定的水平。第一级减温器的另一个作用是保护其后的屏式过热器，不使其管壁金属超温。第二级喷水减温布置在末级过热器入口，由于此处距过热器出口近，且此后工质温升较小，所以喷水减温的调节时滞较小，调节灵敏度高，因此该级喷水是对过热汽温进行细调，并最终维持汽温的稳定。2.2控制方案选择控制原理简介随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络控制等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。下面将讨论两种常用的控制系统。2.2.1单回路分段控制理论上选择简单的单回路分段控制就可以控制过热蒸汽温度了，因为系统中只有一个输入和输出信号，反馈信号只有一个，而单回路控制系统在工业生产过程自动化控制中也是被广发应用的应用，这种控制方法是在不同负荷下均将各段汽温维持在一定值，每段设置独立的控制系统。图2.1 过热蒸汽温度控制的单回路分段控制系统结构从图2.1可知该系统主要由被控对象是过热器，执行机构是电动喷水阀门(执行器)，检测变送部件是热电偶或温度变送器，控制系统核心部件是电动控制器(调节器)组成。其中，被调量(测量值)是过热蒸汽温度，调节量(控制信号)是减温水流量，干扰信号是炉膛燃烧工况。控制系统原理方框图如图2.2 图2.2 过热蒸汽单回路控制系统原理方框图该系统优点是：结构简单，投资少，易于整定和投放；缺点是控制信号存在延迟和惯性，控制不及时，使出口蒸汽温度出现上下大幅度浮动的现象。因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。2.2.2串级分段控制法其控制系统如图2.3 图2.3 过热汽温串级分段控制系统控制原理：控制系统采用了两个调节器（T1C，T2C）,并且两个调节器之间相串连，T2C的输出作为T1C的设定值，这样就组成了控制过热器温度的串级控制。在此系统中第二段过热器出口的汽温t2为主被控变量，一级减温器的出口温度t1为副被控变量，减温器的给水流量为操纵变量组成了串级控制。第一级喷水为第二级喷水打下基础。第二级喷水保持第三段过热器出口的汽温t4不变。由于用分段方式进行汽温控制，因此使调节的滞后和惯性都小于采用一段喷水的方案。图2.3中T1T、T2T为两个温度变送器，T1C、T2C为两个温度调节器。控制方框图如图2.4所示 图2.4 过热汽温串级控制系统的原理框图控制系统的调节过程如下：当进入一级减温器的蒸汽温度波动时，第二段过热器出口的汽温t2还没有变化，因此，主调节器的输出不变，副调节器因扰动的影响，使得一级减温器的出口温度t1变化，按定值控制系统的调节过程，副调节器改变控制阀的开度，使一级减温器的出口温度t1保持稳定。与此同时，t1的变化也影响t2的，使主调节器输出，即副调节器的设定值变化，副调节器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调解过程，使主被控变量t2恢复到设定值。当t1和t2同时变化时，主调节器通过主环及时调节副调节器的设定，使t1的变化保持t2的恒定，而副调节器一方面接受主调节器的输出信号，同时，根据t1的变化进行调节，使t1跟踪设定值变化，使t1根据t2及时调节，最终使t2迅速回复到设定值。与单回路控制系统比较，串级控制系统增加了副回路，使控制系统性能得到改善，其控制特点如下：由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作频率提高。迅速的克服了进入副控制回路的扰动。当扰动进入副回路控制系统后，首先，副控制变量检测到扰动的影响，并通过副控制回路的定值进行控制，及时的调节了操纵变量，使得副控制变量回复到副设定值，从而使得扰动对于主控变量的影响减少。即副回路对扰动先进行了粗调，主回路对扰动进行细调。因此，过热器温度调节使用串级控制系统能够迅速的克服副回路的扰动。对负荷变化和操作条件的改变有一定的自适应能力。串级控制系统，从主回路来看，是一个定值控制；而其副回路来看，则是一个随动控制系统。主调节器的输出按照负荷或操作条件的变化而变化，从而不断地改变副调节器的设定值，使得副调节器的设定值能随着负荷以及操作条件的变化而变化，这就使得串级控制系统对负荷的变化和操作条件的变化有一定的自适应能力。第三章 仪表选型3.1测温元件和温度变送器选型 测温元件选型：在此温度串级控制系统中，使用的测温元件是K型热电偶。原因： 热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一。其主要优点是测温范围广，可以在1K至2800的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，动态性能好，把温度度信号转换为电势信号便于处理和远距离传输。表3.1为K型热电偶的特性。表3.1 K型热电偶特性热电偶名称分度号测温范围（） 等级 使用范围镊络-镊硅K 0-1200 -401300选择K型热电偶优点：热电动势线性好，1000下抗氧化性能良好，在廉价金属热电偶中稳定性好。温度变送器选型：变送器选用DDZIII型温度变送器。原因：控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地式仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，电动II型典型信号为，而电动III型仪表的典型信号为，此外。III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。3.2执行器的选择执行器的选型：此串级控制系统中，由于在现场的煤气锅炉环境下，高温、高压、易燃、易爆，电动执行器难以满足生产要求，所以选用气动执行器。调节阀尺寸的选择：调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它们的选择对系统的正常运行影响很大。若调节阀口径过小，当系统受到较大扰动时，调节阀即使运行在全开状态，也会使系统出现暂时失控现象；若口径选择过大，则在运行中阀门会经常处于小开度状态，容易造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀，甚至使调节阀失灵。因此，调节阀的口径和开度选择应该给予充分重视。在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%85%之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选择。 3.3调节器控制规律的选择主调节器控制规律选择：在串级控制中，主变量t2直接关系生产的安全，所以主变量t2一般要求不得有余差，而对副变量t1的要求一般都不很严格，允许有一定的波动和余差。从串级控制的结构上看，主环是一个定值系统，主调节器起着定值控制作用，为使其稳定，主调节器通常选用比例积分控制器，对于本系统由于控制通道容量滞后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分调节器作为主调节器。副调节器控制规律选择：副环是一个随动系统，它的给定值随主调节器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副调节器一般不带积分作用。若副调节器有微分作用，一旦主调节器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，故副调节器只选用比例调节器。3.4主、副调节器正、反作用的选择选择依据：首先根据调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正、反作用；然后再根据主、副调节过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式。主、副调节器正、反作用方式选择见表3.2。表3.2 调节器正反作用判断序号主对象副对象调节阀副调节器主调节器1正正正正正2正正负负正3负负正负负4负负负正负5负正正正负6负正负负负7正负正负正8正负负正正选择步骤如下： 控制阀：在此串级气温调节系统中，温度过高时，会烧坏过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，造成生产停顿，还会引起高温锅炉爆炸等严重的后果，所以调节阀应选择气闭形式；但温度过低时就会降低生产的工作热效率并影响汽轮机的安全经济运行，所以调节阀应选择气开形式。在此情况下，出现了矛盾的情况，在此情况下要分清主要矛盾和次要矛盾，权衡利弊，主要矛盾是温度过高出现的后果严重，所以调节阀选用气闭形式，即Kv0。副控制对象（T1T）：减温水流量增加，下降，因此，Kp10,因此Km10,应选择Kc10,即选用反作用调节器。主被控对象（T2T）：当t1升高时，t2也升高，因此，Kp20。主调节器（T2T）：为了保证系统为负反馈，应满足Kc2*Kp2*Km20，因Km20，应选Kc2 0，即选用反作用调节器。 第四章 减温器安全联锁保护对策4.1减温器事故原因分析减温器事故主要原因有热交变压力、振动疲劳、热膨胀应力、由于压差引起的应力。除热交变压力和振动疲劳以外,其它各因素都与减温器入口汽温、水温有关,减温器进口汽温一般在480以下,喷水减温器发生故障的绝大部分是二级减温器。显然降低减温器入口汽温,不仅对减温器有好处,而且对过热器的安全运行有好处。这里实际只是牵涉到汽温调节的超前信号及调整手段灵敏度的问题,很多锅炉运行实践证明,末级减温器入口汽温在500以下,并不会引起运行过程的很大困难。遗憾的是,由于热力计算方法及其它方面的因素,汽包炉过热器受热面普遍偏大,汽温偏高,增加了减温器调节的负担。针对喷水减温器的问题,同时也为了减温器前过热器的安全,应该尽量降低减温器入口汽温。设计时减温器前后受热面的分配、在安装或检修中切割多余的过热器受热面、在运行中处理一、二级喷水减温水量的比例时,对减温器入口汽温都有影响,给水温度、炉膛工况等也对减温器入口汽温产生影响。4.2采取的措施可采取的主要措施:将原不锈钢喷管更换成耐热钢喷管;加大喷孔直径;加厚喷管厚度;调紧装配间隙;对裂纹10 mm以上的减温器联箱采取扩孔处理;将10 mm以下的进行堆焊处理;将未裂纹的减温器联箱采取焊缝重叠处理。4.3减温器保护方法总结减温器内部装置的焊接质量十分重要，凡是应力集中的焊接结构,均易产生裂纹。脱落的减温器碎片,一旦掉入过热器内,极易造成爆管事故;有些减温器喷管内还发现制造和安装过程中的残留物,不仅造成减温器喷管堵塞,减少流通面积,降低减温效果,也容易造成过热器爆管。喷水减温器事故的主要原因存在于设计、制造、材料3个方面,也与锅炉运行方式有关。今后新建锅炉减温器的内部装置质量应予重视,缺陷应消灭在运行之前。已投运的减温器必须定期检查,明显不合理的结构应加以改进。在设计控制系统时，第一、二两级减温水量必须分配合理。切忌只看总的出口汽温而忘记了屏式过热器的出口汽温，或因一级减温调温迟缓而减少其喷水量，过多依靠二线减温水减温。这种操作很容易造成屏式过热器管壁过热。尤其在高压加热器切除、水冷壁结焦等特定工况下，应尽量多投一级减温水，以保证屏式